蔣家河煤礦瓦斯抽采鉆孔封孔參數優化

梁則虎，王 巖

(1.陜西泰盛能源工程有限公司，陜西 咸陽 713500；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司 瓦斯研究分院，遼寧 沈陽 113122)

0 引言

我國礦產資源豐富，但煤層瓦斯賦存條件復雜[1]。對于瓦斯災害的防治，由于井下鉆孔具有成本低、施工簡便等特點目前廣泛應用瓦斯抽采鉆孔治理瓦斯，已成為煤礦瓦斯治理的主要手段[2-3]。單純改變平巷風量的大小對礦井的經濟需求以及技術層面要求很高，因此，礦井的瓦斯抽采工作是整個煤礦順利回采的重中之重[4]。對于瓦斯災害特別嚴重的礦井，瓦斯抽采難度更大，礦井工作人員的人身安全以及礦山的順利開采均遭遇重大的挑戰[5]。蔣家河煤礦在瓦斯抽采過程中，由于鉆孔存在漏風，部分鉆孔周圍出現了發火現象，導致鉆孔暫停抽采，甚至會導致鉆孔報廢。漏風同樣會導致瓦斯抽采管路中濃度較低，若濃度在瓦斯爆炸極限內，遇到明火，管路內可能發生瓦斯爆炸等事故，給井下人員帶來巨大的安全隱患[6-8]。為防止鉆孔自然發火，以蔣家河煤礦鉆孔發火問題為研究對象，分析順層瓦斯抽采鉆孔周圍應力分布特征、鉆孔周圍煤自然發火條件等，運用軟件模擬不同封孔參數下漏風流分布規律，優化封孔參數，減小鉆孔漏風，以防止鉆孔周圍煤體自燃。

1 自然發火條件分析

1.1 基于鉆屑法的巷道周圍應力分布試驗

1.1.1 測試孔布置

在煤巷施工開挖之前，地下煤層處于三軸應力平衡狀態。開挖后，原有三軸應力平衡狀態遭到破壞。巷道圍巖應力平衡被打破，應力重新分布。巷道圍巖應力重新分布后，沿巷道徑向不同深度煤體依次為應力降低區、應力升高區和原巖應力區[9]，如圖1所示。在蔣家河煤礦211機巷外段距停采線200 m范圍，向煤巷外幫打順層鉆孔取鉆屑用來測試巷道周圍應力分布。鉆孔布置時盡可能地保證在軟分層中進行測試工作。測試孔的布置方式如圖2所示。

圖1 巷道周圍應力分布示意Fig.1 Stress distribution around roadway

圖2 測試孔布置示意Fig.2 Layout of test boreholes

1.1.2 測試結果

在211機巷下幫靠近停采線位置打94 mm鉆孔5個，現場取屑稱重用10 kg、50 kg彈簧秤2臺，塑料水桶2個。邊長為1 m左右的正方形編織袋1張，最后得到鉆屑量曲線如圖3所示。從鉆屑量曲線圖以及現場實測圍巖應力分布和松動圈理論分析，可得出0～7 m為破碎區，8～19 m為塑性區，20～28 m為彈性區。鉆屑量最大值出現在20 m前后，應力最大值出現在距巷道約20 m處。

圖3 鉆屑量隨鉆進深度變化曲線Fig.3 Variation curve of drilling cuttings with drilling depth

1.2 抽采鉆孔周圍煤體自然發火條件分析

鉆孔封孔后，由于巷道周圍破碎區泄漏，鉆孔周圍環形漏氣圈泄漏，封孔材料泄漏，抽采管路泄漏等，鉆孔在抽采過程中存在漏風現象[10-12〗。在蔣家河煤礦211工作面機巷瓦斯抽采鉆孔出現自然發火現象，蔣家河煤礦煤層堅固性系數為0.11～0.40，硬度較低。由于巷道開挖后集中應力的影響，鉆機打完鉆孔后，鉆孔周圍破碎區、塑性區存在破碎的煤屑堆積。井下巷道的開挖導致兩幫煤巖體內的應力重新分布，大量裂隙生成，透氣性極大提高。由于鉆孔抽采負壓的持續存在，巷道與鉆孔內的壓差很大，若封孔參數不當，風流會沿著鉆孔封孔段周圍的裂隙流入鉆孔，為鉆孔周圍破碎煤體提供氧氣。從鉆孔軸向來看，由巷道向鉆孔內部，由于煤體所受壓力的增大，導致煤體透氣性系數發生變化。因此若鉆孔存在漏風，在封孔段周圍存在某一點，具有良好的蓄熱條件。由于鉆孔抽采的需要，若鉆孔周圍存在漏風，同時抽采時間大于煤的自然發火期，就會導致鉆孔周圍煤體發生自燃。

綜上分析，由于蔣家河煤礦所選擇的封孔參數不當，在抽采鉆孔周圍存在漏風條件，在持續一段時間后，出現鉆孔自然發火現象。因此瓦斯抽采鉆孔自然發火防治技術研究的核心在于優化封孔參數，確定合適的封孔參數，減小鉆孔周圍漏風。破壞煤自燃條件，防止鉆孔自燃。

2 鉆孔周圍漏風流分布數值模擬

采用COMSOL軟件，以蔣家河煤礦211工作面為研究對象，對鉆孔周圍的漏風運移規律進行數值模擬。

2.1 封孔參數對漏風速度的影響

2.1.1 漏風分布

蔣家河煤礦目前采用囊袋式兩堵一注封孔方法封孔。設置封孔深度為10 m、封孔長度為8 m，將此封孔參數帶入模型，結果如圖4所示，其橫縱坐標均為煤壁長度。當封孔深度為10 m，封孔長度為8 m時，由于瓦斯抽采的影響，鉆孔封孔段周圍從1.8～10.6 m內漏風速度均在自燃氧化帶范圍內。同時，由于布孔間距問題，可以看出在封孔段周圍各鉆孔漏風相互影響，封孔段8～10 m范圍內，均存在自然發火的可能，巷道周圍破碎區構成了漏風流的主要通道。當封孔深度為15 m、17 m，封孔長度為8 m時，鉆孔周圍的漏風情況如圖5、6所示。當封孔深度增加至15 m時，鉆孔封孔段里端仍有約0.1 m范圍內漏風風速處于自燃氧化帶，存在自燃危險。增大封孔深度，經模擬得，當封孔深度17 m，封孔長度8 m時，鉆孔周圍漏風風速均小于0.001 7 m/s，全部處于自燃氧化帶風速范圍以下，從風速角度，不存在自燃風險，從理論上可抑制鉆孔自然發火。

圖4 封孔深度10 m、長度8 m時漏風分布Fig.4 Air leakage distribution when sealing depth is 10 m and length is 8 m

圖5 封孔深度15 m、長度8 m時漏風分布Fig.5 Air leakage distribution when sealing depth is 15 m and length is 8 m

2.1.2 觀測線風速分布

為研究封孔長度對漏風情況的影響，模擬封孔時考慮封8 m長度和全孔深封孔兩種情況。在模型中間鉆孔下方0.2 m處平行鉆孔設置觀測線，觀測線自巷道壁面開始向煤體中延伸29 m，封孔深度10 m、封孔長度為8 m及10 m時，封孔深度15 m、封孔長度為8 m及15 m時，觀測線上風速分別如圖7、8所示。通過分析風速圖可以得到，不同封孔長度改變了巷道周圍風流漏入鉆孔途徑，封孔長度可以影響封孔段外端風速分布，但對里端風速分布影響不大，而封孔深度對漏風情況影響十分顯著。

2.2 封孔參數

當封孔深度為17 m、封孔長度為8 m時，計算鉆孔周圍塑性區范圍約0.2 m。在鉆孔施工后，在鉆孔周圍約0.2 m范圍內存在破碎煤體，在鉆孔下方0.2 m、0.1 m分別設置觀測線，觀測封孔段兩端觀測線處風速大小，將數據整理見表1。當封孔深度為17 m、封孔長度為8 m時，抽采負壓20 kPa時，鉆孔周圍漏風速度均在自燃氧化帶范圍以下。在此基礎上提高鉆孔抽采負壓，當負壓提高至30 kPa時，只有封孔段里外端0.1 m范圍內漏風速度剛剛進入自燃氧化帶風速范圍內；當抽采負壓提高至50 kPa時，封孔段里外端0.1～0.2 m內漏風速度均處于自燃氧化帶范圍內，存在自燃風險。從安全角度考慮，為防止鉆孔發火，抽采負壓可提高至25 kPa以上，但最大值不應超過30 kPa。由模擬結果可得，封孔深度參數為17 m，封孔長度選擇8 m，抽采負壓最大值不應超過30 kPa。

圖6 封孔深度17 m、長度8 m時漏風分布Fig.6 Air leakage distribution when sealing depth is 17 m and length is 8 m

圖7 封孔深度10 m、封孔長度8 m及10 m時觀測線風速分布Fig.7 Wind speed distribution when sealing depth is 10m and length is 8 m or 10 m

圖8 封孔深度15 m、封孔長度8 m及15 m時觀測線風速分布Fig.8 Wind speed distribution when sealing depth is 15 m and length is 8 m or 15 m

表1 封孔深度17 m、封孔長度8 m時封孔段里外段觀測線處風速

3 合理封孔參數現場試驗

3.1工作面概況

蔣家河井田位于陜西省關中西北部，彬長礦區南部，行政區劃隸屬于咸陽市彬州市韓家鎮管轄。ZF211工作面位于二采區三條大巷的北側，工作面埋深約440.0～582.5 m。經專家組評審蔣家河煤礦ZF211工作面為弱沖擊危險性，4號煤層自燃等級為Ⅱ類自燃煤層。

3.2 現場試驗實施

將優化后的封孔參數在211工作面試驗，鉆孔采用囊袋式兩堵一注封孔。選擇連續6個控制4號煤層的鉆孔進行封孔參數試驗，其中封孔參數見表2。封孔過后，將鉆孔連入抽采網絡，經觀測抽采數據，單孔瓦斯抽采流量隨時間幾乎不變，抽采過程中如果巷道中風流漏入鉆孔，單孔抽出的瓦斯濃度將大幅度下降，因此單孔瓦斯濃度可以很好地反映鉆孔漏風情況。

表2 試驗鉆孔封孔參數

3.3 試驗結果

如圖9所示，當封孔深度為10 m時，鉆孔抽采濃度不高，鉆孔漏風嚴重；同時，單孔瓦斯抽采濃度隨封孔深度增大而變大。其中封孔深度15 m和17 m時，單孔瓦斯抽采濃度平均達到60%以上，封孔深度17 m時單孔瓦斯抽采濃度略優于15 m，同時封孔長度對單孔瓦斯抽采濃度影響不大。在工作面試驗鉆孔區域周圍，礦井按原封孔參數進行封孔的鉆孔連入抽采系統時間與試驗鉆孔基本相同，抽采約100 d，試驗鉆孔1、2號鉆孔內CO濃度達到162×10-6，81×10-6，3、4號鉆孔CO濃度達到81×10-6、63×10-6。而礦井施工封孔的鉆孔CO濃度高達780×10-6、815×10-6。封孔深度17 m的實驗鉆孔始終未檢測出CO存在。因此，通過優化封孔參數，鉆孔自然發火問題得以解決，同時瓦斯抽采濃度較原設計有提高，經優化封孔參數后，可解決鉆孔自然發火問題，可按計劃完成降低瓦斯含量、瓦斯壓力，實現瓦斯抽采任務。

圖9 試驗鉆孔瓦斯抽采濃度對比Fig.9 Comparision of gas extraction concentration in test boreholes

4 結論

(1)基于鉆屑法對巷道圍巖應力分布進行試驗研究，得出距巷道0～7 m范圍內煤體為破碎區，8～19 m范圍為塑性區，20～28 m為彈性區。鉆屑量最大值出現在20 m左右，距巷道20 m處煤體所受應力最大。

(2)建立巷道周圍鉆孔漏風模型，對不同封孔參數下漏風流分布情況進行模擬研究，確定封孔深度為17 m，封孔長度為8 m，抽采負壓最大值不應超過30 kPa。

(3)在211工作面順層鉆孔進行封孔參數試驗，得出單孔瓦斯抽采濃度隨封孔深度的增大而增大，封孔長度對單孔瓦斯抽采濃度影響不明顯。當封孔深度達到17 m時，單孔瓦斯抽采濃度達到70%，經抽采100 d后未檢測出CO存在，實現了鉆孔自然發火的防治。